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摘 要： 摘要: 通過力學(xué)性能分析及顯微組織觀察，對(duì)比了淬火 + 回火( QT) ，一次兩相區(qū)淬火 + 一次淬火 + 回火( LQT) ，一次淬火 + 一次兩相區(qū)淬火 + 回火( QLT) 三種熱處理工藝對(duì)大厚度超高強(qiáng)度 690 MPa 級(jí)海洋工程用鋼板組織性能的影響。結(jié)果表明，3 種不同淬火 + 回火工藝對(duì)
摘要: 通過力學(xué)性能分析及顯微組織觀察，對(duì)比了淬火 + 回火( QT) ，一次兩相區(qū)淬火 + 一次淬火 + 回火( LQT) ，一次淬火 + 一次兩相區(qū)淬火 + 回火( QLT) 三種熱處理工藝對(duì)大厚度超高強(qiáng)度 690 MPa 級(jí)海洋工程用鋼板組織性能的影響。結(jié)果表明，3 種不同淬火 + 回火工藝對(duì) 690 MPa 級(jí)海洋工程用鋼的低溫沖擊性能影響不同，其中采用一次淬火 + 回火工藝不能保證大厚度海洋工程鋼板的低溫沖擊性能，尤其是不能保證鋼板心部低溫沖擊性能，采用一次兩相區(qū)淬火 + 一次淬火 + 回火( LQT) 工藝能夠一定程度提升鋼板的低溫沖擊性能，一次淬火 + 兩相區(qū)二次淬火 + 回火( QLT) 工藝結(jié)果最理想，能夠大幅度提高鋼板的低溫沖擊性能，同時(shí)，還能夠獲得最好的強(qiáng)韌匹配，其中細(xì)化晶粒及適合的顯微組織狀態(tài)是決定鋼板優(yōu)良低溫沖擊性能的關(guān)鍵因素。
關(guān)鍵詞: 兩相區(qū)淬火; 大厚度; 海洋工程用鋼; 低溫沖擊性能; 細(xì)化晶粒; 高密度位錯(cuò)
大厚度超高強(qiáng)度 690 MPa 級(jí)調(diào)質(zhì)鋼是一種新型的海洋工程用鋼，采用低碳及低碳當(dāng)量設(shè)計(jì)思路，同時(shí)添加適量的 Cu、Ni 等合金元素，通過調(diào)質(zhì)工藝處理得到超低碳貝氏體組織，來獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，具備廣闊的市場(chǎng)前景[1-2]。傳統(tǒng)的一次淬火 + 回火調(diào)質(zhì)工藝，對(duì)于 50 mm 以下的鋼板，該工藝能夠滿足其綜合力學(xué)性能要求，但是對(duì)于大厚度 100 mm 鋼板，不能保證其心部的沖擊韌性，只能一定程度滿足 1 /4 處強(qiáng)韌性匹配，且性能富余量很小，不利于工業(yè)上的批量生產(chǎn)，無法進(jìn)行 100 mm 厚 690 級(jí)鋼板的生產(chǎn)供貨[3]，結(jié)合其他文獻(xiàn)資料以及目前的大厚度調(diào)質(zhì)鋼板的實(shí)際生產(chǎn)情況，本文創(chuàng)新點(diǎn)主要在于調(diào)質(zhì)工藝的優(yōu)化和調(diào)整，利用一次淬火 + 一次兩相區(qū)淬火 + 回火工藝實(shí)現(xiàn)了 100 mm 大厚度鋼板心部低溫韌性的大幅度提升，主要進(jìn)行了通過采用兩次淬火 + 回火工藝與傳統(tǒng)的 QT 工藝對(duì) 690 級(jí)超高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼板組織性能的影響研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。
1 試驗(yàn)材料與方法
本次試驗(yàn)鋼由轉(zhuǎn)爐冶煉而成，經(jīng)連鑄拉坯成 300 mm 厚鋼坯，然后再經(jīng)軋機(jī)通過兩階段控制軋制成 100 mm 厚鋼板，其化學(xué)成分如表 1 所示。
沿鋼板橫向方向切取 300 mm × 300 mm × 100 mm 試樣若干，在實(shí)驗(yàn)室箱式爐中進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，試驗(yàn)采用 3 種不同的熱處理工藝: ①一次淬火 + 一次回火 ( QT) ，其中淬火溫度 900 ℃ ，其加熱保溫時(shí)間均為150 min; ② 一次兩相區(qū)淬火 + 一 次 淬 火 + 回 火 ( LQT) ，即先進(jìn)行一次兩相區(qū)淬火后再進(jìn)行一次淬火，然后回火，兩相區(qū)淬火溫度為 830 ℃，一次淬火溫度 900 ℃ ; ③一次淬火 + 一次兩相區(qū)淬火 + 回火( QLT) ，即在熱處理工藝①的淬火和回火之間再進(jìn)行一次兩相區(qū)的淬火，一次淬火溫度 900 ℃，兩相區(qū)淬火溫度為 830 ℃，其中淬火加熱保溫時(shí)間均為 150 min，為保證試驗(yàn)的統(tǒng)一性，回火溫度均為 640 ℃ ( 前期試驗(yàn)已經(jīng)摸索出的合理回火溫度) ，回火時(shí)間為 4 min，回火后空冷至室溫。
鋼板經(jīng)過熱處理后，進(jìn)行機(jī)加工，其中室溫拉伸及- 40 ℃ 沖擊試驗(yàn)按照 GB /T 228. 1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第 1 部分: 室溫試驗(yàn)方法》、GB /T 229—2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行，采用 ZEISS Axiovert 200 MAT 光學(xué)顯微鏡及 FEI QUANTA 400 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行了鋼板的顯微組織觀察，其中，金相觀察試樣利用線切割加工成形后，經(jīng)砂紙打磨、機(jī)械拋光后，用 4% 硝酸酒精進(jìn)行侵蝕后，進(jìn)行組織觀察，另用線切割切取0. 4 mm 試樣薄片，利用砂紙打磨至 50 μm，進(jìn)行雙噴離子減薄制備成 TEM 試樣，電解液為 8%高氯酸酒精溶液，減薄電壓為 45 V，電流為 25 mA，然后在場(chǎng)發(fā)射電鏡上對(duì)試樣進(jìn)行精細(xì)組織觀察，同時(shí)采用 HB-3000 布氏硬度計(jì)對(duì)試樣硬度進(jìn)行測(cè)定。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
采用不同熱處理工藝得到的鋼板力學(xué)性能如表 2 所示，由表2 中可以看出，經(jīng)過3 種不同淬火 +回火處理后，試驗(yàn)鋼的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度浮動(dòng)范圍是 715 ～ 830 MPa，試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度浮動(dòng)范圍是 802 ～ 936 MPa。顯然，采用二次淬火工藝會(huì)在一定程度上對(duì)試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度造成一定的損失，但是結(jié)果也均滿足船級(jí)社對(duì) 690 MPa 級(jí)鋼板的規(guī)范要求( 屈服強(qiáng)度≥690 MPa，抗拉強(qiáng)度為 770 ～ 940 MPa，伸長(zhǎng)率為≥14% ，沖擊吸收能量橫向 > 46 J，縱向 > 69 J) ，但是采用二次淬火工藝處理后的鋼板沖擊性能得到了明顯的提升，尤其是采用 QLT 工藝后鋼板 1 /4 位置和 1 /2 位置的 - 40 ℃ 沖擊吸收能量均在 150 J 以上，表現(xiàn)出了良好的沖擊性能。
對(duì)經(jīng) QLT 工藝處理后的鋼板進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，結(jié)果如圖 1 所示，根據(jù)結(jié)果可以看出，經(jīng) QLT 工藝處理后的鋼板在全厚度截面上的硬度分布均勻，說明一次淬火 + 一次兩相區(qū)淬火 + 回火處理后鋼板組織均勻，淬透性良好，淬火效果很好[4]。
經(jīng)不同淬火工藝處理后的鋼板，其中 QLT 工藝處理后的鋼板低溫沖擊性能提升最大。圖 2 為試驗(yàn)鋼經(jīng)不同淬火工藝處理后的奧氏體晶粒度對(duì)比，從圖 2 中可以看出，在傳統(tǒng) QT 狀態(tài)下，鋼的奧氏體晶粒度相對(duì)較大，能夠達(dá)到 7. 5 級(jí)，而經(jīng)過兩次淬火后的試驗(yàn)鋼板奧氏體晶粒度則能夠達(dá)到 8. 5 級(jí)，而且其分布更加均勻，由此可以看出鋼板晶粒兩次淬火后，晶粒得到了很大程度上的細(xì)化[5]，從而提高了鋼的性能，通過3 組工藝的對(duì)比，可以看出經(jīng) QLT 工藝處理后鋼板的偏析情況也有了一定程度的改善，從圖 2 中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的偏析帶，為后續(xù)鋼板具備良好的低溫沖擊性能打下了基礎(chǔ)。
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QT、LQT、QLT 工藝對(duì)比，經(jīng)過兩相區(qū)二次淬火后的 QLT 工藝，試驗(yàn)鋼的低溫沖擊性能大幅度提高。圖 3 為試驗(yàn)鋼在 640 ℃ 回火時(shí)的顯微組織，從圖 3 中可以看出，在傳統(tǒng) QT 狀態(tài)下，鋼的顯微組織為回火馬氏體，晶界清晰，但存在部分塊狀結(jié)構(gòu)并且晶內(nèi)保存了平行板條結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸約 35 μm，晶粒較為粗大，而經(jīng)過 LQT 工藝淬火后，組織的晶界相對(duì)清晰，組織由回火索氏體及部分回火馬氏體組成，仍然保持了部分板條結(jié)構(gòu)，但 LQT 工藝處理后平均晶粒尺寸減小至 15 μm 圖 4 QLT 工藝處理后鋼板的 TEM 顯微組織 Fig. 4 TEM microstructure of the steel plates treated by QLT process 左右，晶粒更加細(xì)小。經(jīng) QLT 工藝處理后鋼板組織基本為回火索氏體，晶界清晰，晶粒非常細(xì)小，達(dá)到了11 μm 左右，由此可見，一次淬火獲得粗大馬氏體板條，而二次淬火則大大細(xì)化了晶粒，尤其是經(jīng) LQT 工藝的兩相區(qū)淬火后鋼板晶粒進(jìn)一步細(xì)化，從而大大提高了鋼的低溫沖擊性能。
分析其原因，二次淬火后回火得到的回火索氏體組織本身就具有良好的沖擊性能[6-7]。這種組織是一種強(qiáng)化材料韌性的組織，這種組織不僅對(duì)鋼的強(qiáng)度有益，而且軟相鐵素體可以阻止裂紋的擴(kuò)展，提高鋼的韌性[8]，同時(shí)，細(xì)小且分布均勻的晶粒，也是鋼板具有良好低溫沖擊性能的關(guān)鍵因素。
對(duì)經(jīng)過 QLT 工藝處理后的鋼板不同位置進(jìn)行 TEM 顯微組織觀察，其中，圖 4( a) 為鋼板表面位置; 圖 4( b) 為鋼板 1 /4 位置; 圖 4( c) 為鋼板 1 /2 位置; 超高強(qiáng)調(diào)質(zhì)海工鋼的關(guān)鍵工藝技術(shù)就是，經(jīng) QLT 工藝處理后，得到回火索氏體組織[9]，從圖4 所示的透射顯微組織可以看出，經(jīng) QLT 工藝處理后，不同位置鋼板位錯(cuò)密度均很高，且呈無序分布，位錯(cuò)相互纏結(jié)，同時(shí)，組織內(nèi)還存在彌散析出呈梭子狀碳化物，這些碳化物尺寸長(zhǎng)度在 80 ～ 100 nm 之間，均勻地分布在位錯(cuò)周圍，對(duì)位錯(cuò)起到了很好的釘扎作用，從而阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和螺紋的擴(kuò)展，高密度位錯(cuò)以及碳化物的彌散析出決定了鋼板具備非常優(yōu)良的低溫韌性及很好的強(qiáng)韌匹配[10]。
3 結(jié)論
1) 傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)工藝( QT) 處理后鋼板心部沖擊吸收能量只有 27 J，經(jīng) QLT 處理后鋼板心部的沖擊吸收能量也僅僅達(dá)到 69 J，不能滿足船級(jí)社規(guī)范要求，而一次淬火 + 兩相區(qū)二次淬火 + 回火( QLT) 工藝能夠大幅度提高鋼板的低溫沖擊性能，其中心部沖擊吸收能量能夠達(dá)到 150 J 以上，低溫沖擊性能良好。
2) 經(jīng)一次淬火 + 兩相區(qū)二次淬火 + 回火( QLT) 工藝處理后，鋼板強(qiáng)度指標(biāo)相較其他兩種調(diào)質(zhì)工藝，略有下降，屈服強(qiáng)度 720 MPa，抗拉強(qiáng)度 802 MPa，強(qiáng)度指標(biāo)同樣具備一定富余量，鋼板的強(qiáng)韌性匹配綜合性能非常優(yōu)良。
3) 二次淬火后能夠得到更加細(xì)化的晶粒，心部晶粒度可以達(dá)到 8. 5 級(jí)，能夠很好提高鋼板的力學(xué)性能，尤其是低溫沖擊性能。
4) 鋼板經(jīng)過一次淬火 + 兩相區(qū)二次淬火 + 回火 ( QLT) 工藝處理后，鋼板全厚度界面布氏硬度均穩(wěn)定在 250 ～ 270 HBW 之間，說明鋼板組織均勻，同時(shí)鋼板內(nèi)部高密度位錯(cuò)及碳化物的釘扎作用是提高鋼板強(qiáng)韌性匹配的關(guān)鍵因素。——論文作者：張 鵬，嚴(yán) 玲，周 成，朱隆浩
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